Makalah Spd

Teknik Mesin

Universitas Lampung

1

KELOMPOK 3 Sistem Pembangkit Daya

I. PENDAHULUAN

Latar Belakang

Boiler (ketel uap) adalah suatu alat yang digunakan untuk dapat menghasilkan uap

bertekanan tinggi, dimana alat ini berisi air. Air didalam boiler dipanaskan hingga

mendidih sampai menghasilkan uap, dan kemudian digunakan untuk mengerakkan

turbin selanjutnya diteruskan kegenerator untuk mengbangkit tenaga listrik. Uap

(steam) yang digunakan untuk menggerakan sudu turbin merupakan uap (steam)

yang tidak ada kadungan air atau disebut juga dengan uap kering, yang bertujuan

untuk memaksimalkan kinerja dari turbin dan untuk mencegah terjadinya korosi

pada komponen pembangkit listrik sehingga usia pakai komponen pembangkit

dapat dimaksimalkan.

Sehingga uap (steam) yang keluar dari steam drum setelah dipanaskan pada ketel

uap harus dilakukan proses pemasan kembali, karena uap (steam) yang keluar dari

steam drum masih memiliki kandungan air atau disebut dengan saturated vapor,

oleh karenanya sebelum uap (steam) digunakan untuk menggerakan sudu turbin

harus dirubah kondisi saturated vapor menjadi superheated dengan menggunakan

pemanas api langsung pada Superheater.

Teknik Mesin

Universitas Lampung

2


Superheater adalah tempat sementara untuk memanaskan steam dengan

perubahan kenaikan temperatur dari kondisi saturated vapor menjadi superheated

di dalam suatu system boiler. Perubahan temperatur steam pada Superheater

dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu: perpindahan panas secara konveksi,

radiasi, kombinasi kedua-duanya (radiasi dan konveksi) dan konduksi [Ahusda

Prayunanta. 2008].

Peranan alat Superheater tersebut sangat vital, karena apabila performancenya

mengalami gangguan sehingga kinerjanya menurun, maka tingkat keadaan uap

yang dihasilkan menjadi lebih rendah sehingga daya yang dihasilkan oleh turbin

dapat menjadi lebih rendah. Pada umumnya penurunan kinerja alat tersebut, di

luar masalah gangguan pada sistem mekaniknya, disebabkan oleh menurunnya

efektifitas perpindahan panas yang terjadi di dalam alat tersebut akibat terjadinya

pengotoran permukaan baik oleh aliran fluida uap air di dalam pipa-pipanya

maupun oleh aliran fluida gas panas yang berasal dari proses pembakaran bahan

bakar di dalam boiler. Pengotoran permukaan (Fouling) terjadi, di satu sisi akibat

pengotoran oleh kandungan-kandungan senyawa garam yang terangkut di dalam

aliran uap air yang mengalir di permukaan dalam pipa-pipanya, dan pada sisi luar

pipa oleh partikel debu dan berbagai senyawa kimia yang terangkut di dalam

aliran gas panas hasil pembakaran bahan bakar. Tahanan termal akibat terjadinya

deposit di permukaan menyebabkan laju pertukaran energi panas antara gas panas

dengan aliran uap air menjadi menurun sehingga efektifitas perpindahan panasnya

lebih rendah dari seharusnya. Oleh karena peran yang penting tersebut super

heater harus beroperasi dengan baik [Sugiarto Tris. 2008].

Teknik Mesin

Universitas Lampung

3


II. TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Superheater

Gambar 2.1. Superheater

Superheater merupakan bagian penting dalam sebuah konstruksi boiler, apapun

jenisnya boiler, pasti membutuhkan Superheater yang digunakan untuk

menjadikan uap basah yang keluar dari boiler menjadi uap kering yang

selanjutnya digunakan untuk memutar turbin. Hal ini dilakukan agar tidak ada sisa

air dari uap yang dapat menyebabkan kerak dan korosi pada kipas turbin. Selain

itu Superheater juga memberikan manfaat ekonomi dan mengubah jenis saturated

vapour menjadi superheated steam, sebagaimana telah dinyatakan, adalah uap

suhu yang melebihi dari uap jenuh pada tekanan yang sama. Hal ini dihasilkan

dengan penambahan panas ke uap jenuh yang telah dihapus dari kontak dengan air

Teknik Mesin

Universitas Lampung

4


dari mana ia dihasilkan. Sifat dari superheated steam hampir menyerupai gas

sempurna. Uap jenuh tidak dapat menjadi superheated bila dalam kontak dengan

air yang juga dipanaskan, tidak dapat superheated steam di kondensasikan tanpa

terlebih dahulu dikurangi dengan suhu uap jenuh. Hanya selama temperaturnya

berada di atas uap jenuh pada tekanan yang sesuai itu superheated, dan sebelum

kondensasi dapat terjadi bahwa superheat pertama harus hilang melalui radiasi

atau beberapa cara lain.

Superheater dibagi menjadi dua tingkat, primary dan secondary. Primary

superheater berfungsi mengalirkan uap ke desuperheater, kemudian uap yang

telah dikabutkan disemprot kembali ke secondary superheater. Banyaknya air

yang akan disemprotkan dikontrol oleh valve sesuai dengan temperatur kontrol.

Pada package boiler, superheater terdiri dari tube, header, piping, support dan

spacer. Superheater terdiri dari tiga model yaitu, horizontal, vertikal dan inverted

loop. Model yang sering digunakan adalah model inverted loop, seperti tampak

pada gambar 2.2. Hal ini didasarkan pada lintasan tube yang dapat menghasilkan

efisiensi perpindahan panas yang baik dan juga tidak membutuhkan ruangan yang

luas

Gambar 2.2. Inverted loop superheater

Teknik Mesin

Universitas Lampung

5


Panas spesifik uap superheated pada tekanan atmosfer dan titik jenuh dekat

ditentukan oleh Regnault pada 1862, yang memberi nilai 0,48. Regnault nilai

tersebut didasarkan pada empat serangkaian percobaan, semua pada tekanan

atmosfer dan dengan sekitar kisaran suhu yang sama, maksimum satunya adalah

231,1 derajat celcius. Selama lima puluh tahun setelah penentuan Regnault, nilai

ini diterima dan diterapkan pada tekanan tinggi dan suhu serta berbagai

eksperimennya. Penyelidikan lebih baru telah menunjukkan bahwa panas spesifik

tidak konstan dan bervariasi dengan kedua tekanan dan suhu. Sejumlah percobaan

telah

dilakukan oleh peneliti berbagai, hingga saat ini, yang paling terpercaya

tampaknya orang-orang dari Knoblauch dan Yakub. Tuan Marks dan Davis telah

menggunakan nilai-nilai yang ditentukan oleh Knoblauch dan Yakub dengan

sedikit modifikasi. Yang pertama terdiri dalam berbagai kurva pada tekanan

rendah dekat dengan kejenuhan karena bukti termodinamika dan mengingat

penentuan Regnault di tekanan atmosfer. Modifikasi kedua adalah pada derajat

yang tinggi untuk mengikuti superheat yang Holborn dan kurva Henning, yang

diterima sebagai otentik.

Uap yang berasal dari penguapan di dalam drum atas belum dapat dipergunakan

oleh turbin uap, oleh karenanya harus dilakukan pemanasan uap lanjut melalui

pipa uap pemanas lanjut (Superheater Pipe), hingga uap benar-benar kering

dengan temperatur 260 oC – 340 oC. Pipa-pipa pemanas uap lanjut dipasang di

Teknik Mesin

Universitas Lampung

6


dalam ruang pembakaran kedua, hal ini mengakibatkan uap basah yang dialirkan

melalui pipa tersebut akan mengalami pemanasan lebih lanjut.

2.2. Prinsip Kerja Superheater

Prinsip kerja Super Heater yaitu pada saat pemanasan, api harus diatur sehingga

suhu dari pipa Super Heater tidak melebihi batas keamanan yang diizinkan. Suhu

dari logam pipa pada waktu pemanasan ketel biasanya dijaga supaya berada di

bawah suhu pipa pada saat ketel berada pada kapasitas penuh. Hal ini dapat

dilaksanakan dengan mengatur waktu dari saat pemanasan sampai saat tekanan

kerja tercapai, dengan maksud untuk membatasi suhu gas masuk ke Superheater

pada ±5000C untuk Superheater dengan pipa baja biasa.

Superheater yang tdak dilengkapi dengan pembuangan atau drain akan selalu

menyimpan air condensate pada saat pembakaran dihentikan. Makin banyak

condensate yang terkumpul disitu, makin banyak pula panas yang dibutuhkan

untuk mendidihkan air dalam pipa Superheater, supaya pipa Superheater bebas

dari air. Pada saat pemanasan pertama, biasanya membutuhkan waktu yang lama

untuk membersihkan pipa Superheater dari air, karena banyak air yang terjebak di

pipa Superheater sesudah diadakan hydrostatis test.

Cara termudah untuk membuang air tersebut adalah dengan menguapkannya. Cara

ini mengkibatkan kontrol dari suhu gas selama penaikan tekana menjadi sangat

Teknik Mesin

Universitas Lampung

7


penting, untuk mencegah panas berlebihan pada pipa yang tidak dilalui oleh uap

karena terhambat oleh air. Hal tersebut juga mengharuskan pembukaan penuh

katup pelepas (air vent) pada Superheater sebelum pemanasan ketel dumulai, dan

katub haruslah tatap terbuka sampai dicapai aliran uap dari ketel pada pipa utama

±10% dari kapasitas ketel.

Yang menjadi catatan penting adalah bahwa ada uap mengalir memalui vent

tidaklah berarti bahwa semua pipa Superheater telah dilalui uap, beberapa

kemungkinan masih mengandung air yang terjebak di dalamnya dan bila

pemanasan berlangsung cepat, pada saat itu pipa dapat mengalami panas

berlebihan (pada bagian permukaan air yang terjebak) karena tidak ada aliran uap

didalamnya.

Pada saat penghentian operasi dai ketel katub pelepas Superheater harus dibuka

sebelum menutup katub uap utama dan juga pada setiap saat dimana dimana uap

yang melewati katub utama lebih kecil dari 10% dari kapasitas ketel, seperti yang

sudah tersebut diatas.

Kemungkinan pipa Superheater mengalami panas berlebihan pada saat katub uap

ditutub bila :

1. Ketel masih sangat panas, yaitu pada saat baru berhenti.

2. Ketel masih mengandung banyak abu panas diatas fire grate yang masih

dapat terbakar.

Teknik Mesin

Universitas Lampung

8


Uap yang dipanaskan lanjut bila digunakan untuk melakukan kerja dengan jalan

ekspansi di dalam turbin atau mesin uap tidak akan segera mengembun, sehingga

mengurangi kemungkinan timbulnya bahaya yang disebabkan terjadinya pukulan

balik atau Back Stroke yang diakibatkan mengembunnya uap belum pada

waktunya sehingga menimbulkan vakum di tempat yang tidak semestinya di

daerah ekspansi.

Kemungkinan terjadinya pukulan balik atau back stroke ditempat yang belum

semestinya tersebut lebih mudah terjadi bila yang digunakan ialah uap basah

sebagai penggerak mesin uap ataupun turbin uap. Ada beberapa macam pemanas

lanjut, diantaranya :

2.2.1. Superheater Konveksi

Superheater Konveksi menerima panas secara konveksi dari api atau

gas asap. Jumlah gas asap yang lewat tergantung dari jumlah bahan

bakar yang dibakar. Makin banyak jumlah gas asap yang terbentuk dan

melewati superheater konveksi tersebut dan sebaliknya, makin

berkurang bahan bakar yang dibakar maka makin berkurang pula

jumlah pada gas asap yang terbentuk.

Gambar 2.3. Superheater Konveksi

Teknik Mesin

Universitas Lampung

9


2.2.2. Superheater Pancaran atau Radiant Superheater

Superheater pancaran menerima panas dari pancaran. Temperatur api

hanya tergantung dari jenis bahan bakar yang dibakar dan temperatur

udara pembakaran yang dimasukkan kedalam tungku.

Gambar 2.4. Superheater Radiant

2.2.3. Superheater Kombinasi

Superheater Kombinasi merupakan kombinasi antara Superheater

Konveksi dan Superheater Pancaran, maka karakteristik atau sifat-sifat

yang kurang baik dari superheater konveksi dan superheater pancaran

dapat dieliminasi sehingga yang tersisa ialah karakteristik yang baik

dari kedua superheater tersebut:

1. Dapat mengikuti beban.

2. Temperatur uap dapat tinggi.

3. Harganya mahal.

2.3. Uap (Steam)

Teknik Mesin

Universitas Lampung

10


Uap atau steam merupakan gas yang dihasilkan dari proses yang disebut

penguapan. Bahan baku yang digunakan untuk menghasilkan steam adalah air

bersih. Air dari water treatment yang telah diproses dialirkan menggunakan

pompa ke deaerator tank hingga pada level yang telah ditentukan. Pemanasan

dalam deaerator adalah dengan menggunakan steam sisa yang berasal dari hasil

pemutar turbin.

Dengan meningkatnya suhu dan air telah mendekati kondisi didihnya, beberapa

molekul mendapatkan energi kinetik yang cukup untuk mencapai kecepatan yang

membuat sewaktu-waktu lepas dari cairan ke ruang diatas permukaan, sebelum

jatuh kembali ke cairan. Pemanasan lebih lanjut menyebabkan eksitasi lebih besar

dan sejumlah molekul dengan energi cukup untuk meninggalkan cairan jadi

meningkat. Dengan mempertimbangkan struktur molekul cairan dan uap, dapat

diambil kesimpulan bahwa densitas steam lebih kecil dari air, sebab molekul

steam terpisah jauh satu dangan yang lain. Ruang yang secara tiba-tiba terjadi

diatas permukaan air menjadi terisi dengan molekul steam yang padat.

Dalam hal ini pebakaran air dalam boiler adalah air yang melalui deaerator yang

telah melalui pemanasan didalamnya yang dialirkan ke drum boiler (penampung

steam) dan kemudian disuplai kedalam boiler untuk dipanaskan lebih lanjut

sehingga menjadi steam basah. Suhu didalam boiler ini adalah sekitar 400 oC -

459 oC. Setelah proses yang tejadi di dalam boiler ini, aliran steam dilanjutkan ke

superheater untuk menjadikan uap kering, suhu steam saat itu sekitar 520oC –

600oC dan siap disalurkan untuk memutar turbin.

Teknik Mesin

Universitas Lampung

11


Jika jumlah molekul yang meninggalkan permukaan cairan lebih besar dari yang

masuk kembali, maka air akan menguap dengan bebas. Pada keadaan ini air telah

mencapai titik didihnya atau suhu jenuhnya, yang dijenuhkan oleh energi panas.

Jika tekananya tetap penambahan lebih banyak panas tidak mengakibatkan

kenaikan suhu lebih lanjut namun menyebabkan air akan membentuk steam jenuh.

Pada tekanan atmosfir suhu jenuh air adalah 100 oC, tetapi jika tekananya

bertambah maka akan ada penambahan lebih banyak panas dan peningkatan suhu

tanpa perubahan fase. Oleh karena itu, kenaikan tekanan secara efektif akan

meningkatkan entalpi air dan suhu jenuhnya. Hubungan antara suhu jenuh dan

tekanan dikenal sebagai kurva steam jenuh.

Air dan steam dapat berada secara bersamaan pada berbagai tekanan dalam kurva

ini, keduanya akan berada pada suhu jenuh. Steam pada kondisi diatas kurva

jenuh dikenal dengan superheated steam (steam lewat jenuh), sedangkan air yang

berada pada kondisi dibawah kurva disebut air sub-jenuh. Jika steam mengalir

dari boiler pada kecepatan yang sama dengan yang dihasilkanya, penambahan

panas lebih lanjut akan meningkatkan laju produksinya. Jika steam yang sama

tertahan tidak meningalkan boiler, dan jumlah panas yang masuk dijaga tetap,

energi yang mengalir ke boiler akan lebih besar daripada energi yang mengalir

keluar. Energi yang berlebih ini akan menaikan tekanan, yang pada giliranya akan

menyebabkan suhu jenuh meningkat, karena suhu steam jenuh berhubungan

dengan tekananya.

Teknik Mesin

Universitas Lampung

12


III. PERHITUNGAN SUPERHEATER

3.1. Energi uap kering yang terbentuk serta efisiensi pemanas lanjut dapat

dicari dengan persamaan sebagai berikut:

Energi bahan bakar (ES)

bbfss NmE .

Dimana:

sE = kalor hasil proses pembakaran bahan-bahan di pemanas (KW)

fsm = massa bahan bakar (kg/dtk)

bbN = nilai kalor bahan bakar (kj/kg)

3.2. Jumlah energi kalor yang dipergunakan untuk mengubah uap basah

menjadi uap.

Panas lanjut dapat ditentukan dengan persamaan :

)( slslslm hhmE =

Dimana :

mE = Kalor terpakai untuk menaikan kualitas uap (KW)

slm = laju uap lewat panas (Kg/s)

Teknik Mesin

Universitas Lampung

13


slh = entalpi uap keluar (Kj/Kg)

slh = entalpi uap masuk (Kj/Kg)

3.3. Efisiensi

Efisiensi pemanas lanjut adalah perbandingan antara kalor yang terpakai

untuk mengubah uap basah menjadi uap panas lanjut dengan kalor hasil

proses pembakaran bahan bakar sehingga dapat dituliskan sebagai :

s

sts

sE

E

Dimana :

s : efisiensi pemanas lanjut (%)

stsE : kalor terpakai untuk merubah uap basah menjadi uap Panas lanjut

(Kj/Ks)

sE = kalor hasil proses pembakaran bahan bakar pemanas lanjut

(kJ/det)

3.4. Efisiensi pemanas lanjut ( s )

naslanjutimasukpematotalenerg

lehuapdiperolehoenergiyangs

3.5. Total energi = bbbb Nm . (kJ/s)

Teknik Mesin

Universitas Lampung

14


3.6. Energi yang diterima uap dari pemanas lanjut :

)( fgups hhhE

3.7. Tekanan absolut

atmgabs PPP

Dimana :

gP =Tekanan Pengukuran (bar)

atmP = tekanan atmosfir (bar)

Gambar 3.1. skematis instlasi pemanas lanjut (superheater)

Teknik Mesin

Universitas Lampung

15


3.8. Perhitungan Perpindahan Panas dan Laju Aliran

3.8.1. Koefisien Perpindahan Panas

Aliran di dalam celah adalah tertutup sempurna, maka kesetimbangan energi

dapat digunakan untuk menentukan temperatur fluida yang bervariasi dan nilai

total transfer panas konveksi Qconv tergantng dari laju aliran massa. Jika perubahan

energi kinetik dan energi potensial diabaikan, maka pengaruh yang signifikan

adalah perubahan energi thermal dan fluida kerja. Sehingga kesetimbangan energi

tergantung pada 3 variable, yang dapat dirumuskan sebagi berikut :

)( ,, ifofpchconv TTCmQ

(3.1)

DImana Qconv = total transfer panas (W)

chm

= aliran massa yang melalui celah (kg/s)

pC = koefisien pepindahan panas (Kj/kg.K)

ofT , = temperatur fluida keluar (oC)

ifT , = temperatur fluida masuk (oC)

3.8.2. Bilangan Reynold

Setiap aliran fluida mempunyai nilai bilangan Reynolds yang merupakan

pengelompokan aliran yang mengalir, pada plat datar dapat dilihat pada gambar

berikut :

Teknik Mesin

Universitas Lampung

16


Gambar 3.2. Daerah aliran lapisan batas plat rata

Pengelompokan aliran yang mengalir tersebut dapat diketahui dengan bilangan

Reynold, sebagai berikut :

XUXU ...Re (3.2)

Dimana Re : Bilangan Reynold

U : Kecepatan aliran bebas

X : Jarak dari tepi depan

= / : Viskositas kinematic

Transisi dari aliran laminar menjadi turbulen terjadi bila Re > 5.105, untuk aliran

sepanjang plat rata, lapisan batas selalu turbulen untuk Re 4.106. Untuk aliran

dalam tabung dapat dilihat pada gambar di bawah ini:

Gambar 3.3. Diagram aliran dalam tabung

Teknik Mesin

Universitas Lampung

17


Pada aliran dalam tabung, aliran turbulen biasanya pada

2300..

Re .

dUdU mm

3.8.3. Bilangan Nusselt dan angka Prandtl

Parameter yang menghubungkan ketebalan relative antara lapisan batas

hidronamik dan lapisan batas termal adalah maksud dari angka prandtl, angka ini

dapat ditentukan dengan menggunakana tabel, maupun denganmenggunakan

persamaan, seperti berikut ini :

k

C p

CpK

.

Pr.

(3.3)

Angka nuselt dirumuskan sebagai berikut :

k

XhNu x

x

. (3.4)

Dimana Pr : Angka Prandtl

xNu : Angka Nusselt

h : Koefisien Perpindahan Panas Konveksi (W/m2 o

C)

k : Konduktifitas Termal Fluida (W/m oC)

Untuk pat yang dipanaskan pada keseluruhan panjangnya, memiliki persamaan

Nusselt sebagai berikut :

21

31

Re332,0 xrx PNu (3.5)

Teknik Mesin

Universitas Lampung

18


Persamaan diatas berlaku untuk fluida yang mempunyai angka Prandtl antara 0,6

– 50, sedangkan untuk angka Prandtl yang rendah memiliki persamaan Nusselt

sebagai berikut:

21

21

Re530,0 xrx PNu (3.6)

Pada angka Prandtl yang tinggi, memiliki persamaan nusselt sebagai berikut :

41

32

321

Pr

0468,01

PrRe3387,0

q

x

xNu (3.7)

Koefisien perpindahan kalor rata-rata dan angka Nusselt bias diperoleh dengan :

31

21

PrRe664,02

2

LxL

x

NuNu

hh

(3.8)

Analisa diatas didasarkan atas pengandaian bahwa sifat-sifat fluida konstan di

seluruh aliran. Jika terdapat perbedaan menyolok antara kondisi dinding dan

kondisi aliran bebas, sifat-sifat tersebut dievaluasi pada suhu film, Tf yaitu rata-

rata aritmatik antara suhu dinding dan suhu aliran bebas

2

TTT w

f (3.9)

Beda suhu rata-rata sepanjang plat dapat dihitung dengan :

31

21

PrRe6795,0

/

L

w

w

kLqTT (3.10)

Teknik Mesin

Universitas Lampung

19


DAFTAR PUSTAKA

Ahusda Prayunanta. 2008. Penerapan Kontrol Optimal LQG Pada Sistem

Kontrol Cascade PI&P Untuk Pengendalian Temperatur Steam di

Superheater. Surabaya: ITS.

Sugiarto Tris. 2008. Analisis Kinerja Alat Superheater Pada Instalasi

Pembangkit Tenaga Uap. Jakarta : Universitas Pancasila Jakarta.

Makalah Spd

Documents

Transcript of Makalah Spd